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复杂经济学：经济思想的新框架
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我们经常认为，随时间进化的系统一般都会变得越来越复杂。这似乎是理所当然的、无须解释的。其实不然。1994年，在我写作本章时，对于什么机制可能导致进化有利于复杂性增加，我们的理解相当有限。本章指出，复杂性随着系统的进化而增加的途径有三种。第一种途径是，在共生，即进化的系统中，复杂性可能会通过“物种”多样性的增加而增加：在某些情况下，新物种可以提供进一步的生态位，从而使得更多的新物种得以涌现出来，导致物种总数稳定地以螺旋向上的形态增加。第二种途径是，在单系统中，复杂性可以通过结构复杂性的增加而增加：系统的内部子系统或子功能或子组分的数量不断地稳定增加，以便突破系统性能限制，或者增强其运行范围，或者用于处理异常情况。第三种途径是，复杂性可能通过“捕获软件”机制而突然增加：系统捕获更简单的元素，并学会将它们编写为“软件”，以便用它们来实现自身的目的。
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在这三种机制下，复杂性的增加都是间断性的和世代性的。前两种机制是可逆的，复杂性坍塌的情况随时都可能随机地发生。这方面的例子不仅在生物学中有，在经济学、自适应计算科学、人工生命和进化博弈理论中也比比皆是。本章最早发表在由G.考温（G. Cowan）、戴维·派因斯和D.梅尔策（D. Meltzer）主编的《复杂性：隐喻、模型和现实》（Complexity: Metaphors, Models, and Reality）一书中。该书于1994年出版。
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随时间进化的系统一般都会变得越来越复杂，这是一个人们普遍接受的观念，几乎可以说它是一个“民间定理”。但是，这种观点有什么证据吗？进化真的有利于复杂性的增加吗？如果是，那又是为什么呢？进化使得复杂性随时间流逝而增加，是通过什么机制实现的？而且，这个过程会不会向另一个方向发展，即复杂性会不会减少呢？在本章中，我将讨论这些问题。特别是，我将阐明在一般的系统中，进化使得复杂性增加的三种途径。
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在生物学文献中，关于进化与复杂性之间的关系，向来是一个聚讼纷纭的主题。但是，大多数争论都流于粗疏，进一步的深入探讨由于如下事实的存在而滞碍难行：进化创新通常以平滑的变化或连续的塑性修饰的形式出现，如体现在生物体的大小、身体器官的形态、生物的行为等方面，因而使得“复杂性增加”很难定义和识别。因此，虽然大多数生物学家都认为复杂性确实会随着进化而增加，而且他们也提出了一些特定的机制，但是由于定义和观察的困难，这个问题仍然深陷在泥沼之中。有一些生物学家甚至怀疑，进化与复杂性之间根本不存在任何联系。
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不过幸运的是，近年来，我们积累了不少关于不同进化情境的经验证据，而且它们不全是生物学的。这些情境包括：经济中不同技术之间、不同厂商之间的竞争，自我复制的计算机程序、自适应计算、人工生命系统，以及由竞争性的博弈策略组成的基于计算机的“生态”。它们不但可以用来替代生物学中的相关实例，而且还拥有两大优点：第一，它们的变化和创新通常是离散的和明确的，所以在这些情境下，我们可以更容易地定义和观察复杂性的增加；第二，它们大多数是基于计算机的，因此它们可以成为“实验室”，使得我们能够实时测量复杂性在进化过程中的变化并进行复制。
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本章在讨论复杂性与演变之间的关系时，采用的例子有来自经济学的，也有来自上面提到过的这些情境的，当然还有来自生物学的。我将只关注看上去就是“复杂性”的那种复杂性。“复杂性”完整的准确定义取决于不同的具体情境，但是我希望，随着对复杂性因进化而增加的各种机制的讨论的深入，它的定义将会越来越清晰。我将经常在系统发育的意义上使用“进化”这个术语，因为在一个具有明显的遗传结构谱系的系统中，“发育”可能是随时间推移而展开的。这样一来，我们就可以讨论一种语言或一种技术的进化，而不必先假定该语言或该技术必定会在一个语言“种群”或技术“种群”中得到繁殖。
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机制1：协同进化多样性的增加
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复杂性随进化而增加的第一个机制，我称之为“共生多样性的增加”（growth in coevolutionary diversity）。这种机制适用于各种个体或实体、物种、生物体在相互作用的种群中共存的系统。在这种共生系统中，一些个体或实体、物种、生物体构成了“基质”，或创造了“生态位”，从而允许其他个体或实体、物种、生物体存在。因此，对于这样的共生进化的系统，我们可以这样来看：它们组织成了松散的层级结构或相互依赖的“食物网”，下一个层级的个体存在取决于更接近“层级基座”的“更基础”的个体存在。
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在这些系统中，当个体及它们在互动中的多种可能性创造了大量不会封闭、可以被新产生的个体利用的“生态位”或利基时，多样性倾向于以自我强化的方式增大。而进入种群的新个体又可能会提供新的基底、新的生态位，从而又为更进一步的新个体提供了填补或利用的新的可能性。当然，这些最新进入的个体，也可以提供更新的生态位和基底……依此类推。正是通过这种方式，复杂性随着时间推移而自展地不断增加。在这里，复杂性以更大程度的多样性、更复杂的交互网络的形式出现。在最初的时候，当新出现的个体仅限于取代没有竞争力的先前存在的个体时，共生进化多样性的增加可能会比较慢，甚至可能会完全止步不前。但是随着时间的推移，当个体开始提供生态位，且生态位使得新个体的出现成为可能时，共生进化多样性就会进入正反馈通道，即多样性本身就可能为进一步的多样性提供“燃料”。
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在过去的20年里，计算机工业中的专用性产品和软件出现了快速增长。这种增长就是经济中共生进化多样性增加的一个很好的例子。在现代微处理器出现后，它们就为诸如存储器系统、屏幕监视器和总线接口之类的设备创造了适当的生态位或利基。将它们与微处理器连接在一起，就是非常有用的硬件——计算机设备。而这些设备反过来又为新的操作系统软件、新的编程语言以及新的应用程序创造了需求或利基。这些硬件和软件的存在又使得桌面出版、计算机辅助设计和制造、电子邮件、共享计算机网络等技术成为可能。这些技术又为激光打印机、工程设计软件和硬件、网络服务器、调制解调器和传输系统创造了利基。这些新设备反过来又“召唤”新的更强大的微处理器和系统软件来驱动它们。因此，在这大约20年的时间中，计算机行业经历了多样性的爆炸性增长：从少量的设备和软件到各种各样的设备和软件，因为新设备使得更多的新设备成为可能，新的软件产品使得计算机的新功能成为可能，而这些反过来又要求进一步的新设备和新软件的出现。
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当然，我们不应该忘记，随着新的计算机产品和功能的出现，它们也会取代经济中的其他东西。计算机辅助设计可能最终取代基于标准绘图板和T字尺的设计。因此，系统中一部分组件的多样性增加，可能被其他地方的多样性减少所抵消。偶尔在共生系统中，现有功能被替代也可能导致共生多样性增长出现逆转。当新实体替换掉了系统中更基础的实体，同时依赖于被替换掉的实体的利基消失时，就可能发生这种情况。例如，在整个19个世纪，马车运输业出现了许多“利基企业”，它们专业化程度高且相互联系紧密，数量也一直在稳步增加。到了19世纪末，各种不同类型的马车车厢制造者、马具制造商、铁匠铺和马种繁殖场等形成了一个共生进化的生态。不久之后汽车出现了，所有这一切都崩溃了。与之相反，以燃油汽车技术、石油勘探和精炼技术和内燃动力技术等为基础的一系列相互连接的新“利基制造商”，则组成了一个新的网络。这个网络一开始增长缓慢，但它逐渐替代了以往的“马车制造网络”。因此，共生系统中的复杂性，在这种情况下，复杂性就是指多样性，当然可能随时间推移而增加，但是也可能出现很大的震荡。
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多样性的增长在很多人工进化系统中都可以观察到。这样的不完全例子包括：汤姆·雷（Tom Ray）开发的Tierra系统、约翰·霍兰德构建的ECHO系统、斯图尔特·考夫曼设计的多个化学进化系统。在这里，作为例子，我简单介绍一下汤姆·雷的Tierra系统。它是雷构建的一个人工世界：不同的计算机程序在虚拟计算机中竞争处理器时间和存储器空间。这个世界是从一个单一的“有机体”开始的，该“有机体”是一组能够自我复制的机器语言指令，偶尔会发生变异。这个“有机体”构成了一个生态位，或者说基底，从而为那些利用它的部分代码进行复制，或者说以它的指令为“食物”的“寄生有机体”的出现提供了条件。此外，还会出现另外一些“寄生有机体”免疫的有机体。“寄生有机体”也会形成基底，供依赖它们的“超寄生有机体”所用。然后，“超超寄生有机体”也会出现……依此类推。就这样，新的“有机体”不断出现、不断消失，形成了一个丰富多彩的、由相互竞争的机器语言程序构成的生态系统。这个生态系统呈现出多样性持续净增长的趋势。在这个系统开始运行后的连续几天里，汤姆·雷一直没有观察到多样性增长的终点。在这个不断进化的基于计算机的系统中，从单个基因型开始，进化出了超过2.9万种不同的、能够自我复制的基因型，它们大致可以分为300个类型，这相当于这个系统中的物种数量。
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行文至此，我想向读者指出几个适用于这种机制的要点。
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第一，在某些情况下，新实体的出现可能不太依赖于先前实体的存在，而更多依赖于它们之间展开“互动”的可能性。例如，在经济中，只有当激光技术、静电复印技术和计算机技术等技术都存在时，像激光打印机这样的新技术才有可能变成现实。在这些情况下，实体的共生集群，即一组实体，它们的“集体活动”或共同存在有重要意义，可能会创造出很多利基。因此，我们可以预测，当“集体存在”对于利基的形成非常重要时，共生进化多样性的增长在一开始时将会显得非常缓慢。因为在只有极少数实体的情况下，形成组合的可能性非常低，从而出现的生态位也非常少。但是，随着更多的单个实体的进入，我们就可能会观察到生态位的爆炸性增长。因为可能出现的组合数量的增加是呈爆炸性的，可能产生的生态位数量的增加也是呈爆炸性的。
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第二，如果新实体对旧实体的替换发生在等级体系的基底附近，那么系统复杂性坍塌的概率就会非常高，因为这种等级体系的每个层级都依赖更基础的层级。而如果发生在等级体系的端点附近，那么复杂性坍塌的概率就会很低。因此，在一个共生进化系统中，多元化是扩展还是坍塌，在很大程度上取决于等级体系的依赖结构。
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第三，这里存在两种正反馈，或者说循环因果关系。这是这种机制所固有的。新实体的产生可以强化进一步的新实体的产生。原因很简单，因为系统中出现了可用于进一步的“自适应辐射”的新“遗传材料”。新实体的出现还为其他新实体的出现提供了生态位。反过来，这也就意味着，当只有很少的新实体被创建出来时，也很少会有进一步的新实体出现，因而也就几乎不会创造出新的生态位。因此，系统在这种情况下将呈现基本静止的状态。当新实体迅速出现时，新的生态位将快速增加，从而进一步产生新的实体和新的生态位。然后系统就可能经历一种类似“寒武纪大爆炸”的快速增长。因此，我们可以预期，这样的系统可能在很长时间内处于相对静止的休眠状态，但是偶尔也会突然进入复杂性爆发式增加的时期。也就是说，我们预测，它们会经历间断均衡。
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这种机制，即系统的复杂性随着新的生态位或利基的创造而增加，是我们大多数从事复杂性研究的人很熟悉的。例如，斯图尔特·考夫曼就写过很多论著，介绍了各种各样的自强化多样性的例子。然而奇怪的是，在传统的生物学文献中，却很难找到有关这种机制的讨论。博纳（Bonner）在1988年出版的《复杂性的进化》（The Evolution of Complexity）一书中也没有提到它，尽管他用了整整一章的篇幅来讨论以多样性形式表现出来的复杂性。沃丁顿（Waddington）认为，随着有机体多样性的增加，生态位会变得越来越复杂，这种说法有点接近我们这里讨论的这种机制。他还说，生态位越复杂，来填补生态位的生物就会越复杂，而这反过来又会增加生态位的复杂性。但是，他在谈到这些时，所指的似乎是内部结构复杂性的螺旋式上升，而不是共生进化生态的多样性。不过，有意思的是，早在100多年前，达尔文就提到了这种机制，或者至少是与之有密切关系的某样东西。在他笔记的第422页，达尔文这样写道：
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世界上，动物的极大数量取决于它们的结构和复杂性……因此当形式变得很复杂时，它们也就打开了增加自身复杂性的手段的大门。[1]
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但是，这种说法同样可以理解为与内部结构复杂性有关，而不是与生态多样性有关。
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机制2：结构深化
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我将导致复杂性随时间增加的第二种机制称为结构深化（structural deepening）。这个机制适用于单一实体，包括系统、生物体、物种及个体，它们都在某个“背景”下进化。在此，我们可以将这个背景视为它们的“环境”。通常来说，在竞争的强大压力下，这些系统会运行在自己的性能极限之内。但是，它们也可以通过增加某些功能或子系统，来打破这些性能限制。增加了这些功能或子系统后，它们就能够：（a）在更广阔的或更极端的范围内运行；（b）感知并对异常情况做出反应；（c）服务于其他系统，使其运行得更好；（d）提高其可靠性。通过这种做法，它们增加了它们的“结构深度”或“设计的复杂性”。当然，在加入这些功能或子系统后，系统的运行仍然可能达到其性能极限。在这种情况下，还可以通过进一步添加子子系统，来再次突破这种限制。循环反复地推进上述过程足够长的时间后，原来的系统就会被更深层次的功能和子功能所“覆盖”，从而可以极大地改善自己的运行性能和适用范围。当然，这样一来，它内部的结构也就变得更加复杂了。
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技术进化的历史提供了许多结构深化的例子。例如，由弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）和汉斯·冯·奥海因（Hans von Ohain），在20世纪30年代分别独立设计了最早的燃气轮机和喷气式航空发动机，就是一个很好的例子。这种发动机的工作原理是：压缩进气，在压缩空气中点燃燃料，并通过涡轮机释放燃爆的混合物以驱动压缩机，然后以极高的速度排出空气来提供推力。惠特尔的原型有一个可移动的部分，即压缩机-涡轮机组合。但是，多年以来，在来自商界和军界的利益团体的推动下，巨大的竞争压力导致航空发动机不断做出改进。设计师们不得不想方设法，让航空发动机能够克服极端的压力和温度所带来的限制，并能够应对各种突发的特殊情况，有时是通过使用更好的材料，但更多的时候是通过添加子系统。